（热能工程专业论文）低温地热能梯级利用供暖系统研究.pdf

摘要 摘要 目前，环境污染、能源的匮乏已经是世界各国急待解决的重大问题。 北京作为中国的首都，曾是世界上污染最严重的城市之一。随着北京2 0 0 8 年奥运会的申办成功，解决北京的环境问题显得更加迫切。而地热作为一 种清洁可持续利用的能源，地热能供暖系统的研究与推广必将为解决北京 的环境问题做出巨大的贡献。本论文则针对北京工业大学地热供暖示范工程 实例，对地热梯级利用供暖系统的设计、技术性能、经济性能进行分析与研究。 本论文首先介绍了北京工业大学地热供暖示范工程中经管楼地热利用供暖 中试系统和综合楼与图书馆地热利用供暖系统的方案设计，为低温地热水的合 理利用提供了两种工程模式。并且分析了所使用的主要采暖设备热泵、风机盘 管的性能分析。在示范工程系统中进行了大量的试验，对地热梯级利用供热系 统的技术性能和经济性能进行综合分析。通过对系统进行改进，地热梯级利用 供暖系统的经济性得到进一步提高。最后根据设计经验、设备性能以及相关的 影响因素，总结出地热梯级利用供暖系统级数的确定原则。本论文的结论对低 温她热水的合理利用以及地热梯级利用供暖系统的设计、推广具有广泛的指导 意义。 关键词：低温地热水；梯级利用：供暖；级数 a b s t r a c t a b s t r a c t a td r e s e n t ，t h ee n v i r o 啪e n t a lp o l l u t i o na 1 1 dt h el a c ko fu 1 1 s u s t a i n a b l ee n e r g y h a l v eb e c o m en e c e s s a r yp r o b l e m si ne v e r yc o u n t r ya 1 1o v e rt h ew o r l d b e 玎i n g ，t h e c a 口1 t a lo fc 1 1 i n a ，w a so n eo f t h em o s tp o l l u t e dc i t i e s w i t ha p p l y i n gf o rt h eo l y m p i c g a m e si n2 0 0 8s u c c e s s f u l l v m es o l u t i o no ft h ee n v i r o m e n t a lp o l l u t i o ni nb e 巧i n g b e c o m em o r eu r g e n t s m c eg e o m e ni sak i n do f c l e a i la 1 1 ds u s t a i n a b l ee n e r g y ，t h e g r a d i e mu t m z a t i o ns y s t e mo fg e o t h e 衄晰l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei n 血er e l a t e d 丘e l d i nt h et h e s i s ，t 1 1 es c h e m e so fs y s t e m ，t e c h l l i c “p e “b m l a n c ea i l d e c o n o m l c p e b n n a n c ew e r er e s e a r c h e da i l da i l a l y z e dt h r o u 曲m e d e m o n s t r a t i o np r o j e c to ft h e g e o t h e n a ls p a c eh e a t i n go f b e 巧i n gu n i v e r s 畸o f t c c h n o l o 缈 t bs t a r tw i t l l ，t w ok i n d so ft h ee n g i n e e r i n gm o d e l sw e r ei m r o d u c e di nt h et h e s i s t 1 1 r o u g ht 1 1 ed e s i g ni nt 1 em i d d l e s i z eg r a d i e m u t i l i z a t i o no fg e o t h e n n a le n e 唱yf o r s p a c eh e a t i n gs y s t e m ( g u g e s h s ) i n t h eb u i l d i n go ft h es c h 0 0 1o fe c o n o m i c sa n d m a j l a g e m e n t ，t h eg e o h e a ts y s t e mf o rs p a c eh e a t i n gi n t 1 1 ey i f ul i b m r ya 1 1 dt h e m u l t i 一c t i o ns c i t e c hb l o c k a n dt h ep e r f b m a l l c eo f t 1 1 em a i nh e a t i n ge q u i p m e n t u s m g i nm et w os y s t e m si n c l u d i n gh e a tp u m pa 1 1 df 孤c o i lw e r ea i l a l y z e d m o r e o v e r ， t h et e c h n i c a la n de c o n o m i cp e r f b r i n a l l c e s o fg u g e s h sa r e a 1 1 a l y z e d c o m p r e h e n s i v e l yi nt e h n so fp i e n t yo fm e a s u r e m e n ti nt h e m a 咀t h ee c o n o m i c p e 一o h n a n c eh a sb e e ni m p r o v e db ya m e n d i n g t h e s es y s t e m s a tl a s t ，a c c o r d i n gt ot h e d e s j g n i n g ，o p e m t i n gp r a c t i c e ，h e a t i n ge q u i p m e n tp e 西) n n a i l c ea i l dr e l a t e df a c t o r s ，t h e p r i n c i p l eo fc o n 矗m i n gt h en u m b e ro fs t a g e si nt h eg u g e s h s w e r es u g g e s t e di n t h j s 也e s i s a b o v ea 1 1 ，也ec o n c l u s i o ni nm em e s i sp l a y sa 1 1i m p o n a i l tr o i ei n 也e r e a s o n a b l eu t i l i z a t i o no ft 1 1 el o wt e m p e r a t u r eg e o t h e m a lw a t e ra n dt h ed e s i g no ft h e g u g e s h s k e ) w o r d s ： l o w t e m p e r a t u r eg e o t l l e m l a l 、v a t e r ；g m d i e mu t i l i z a t i o n ；s p a c eh e a t i n g ； s t a g e s ； i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 人类在面对环境污染的困扰、地球生态平衡的破坏、不可再生资源的 匮乏、各国对能源需求急速增长的背景下，以石油、煤炭和天然气为主要 能源的时代终将被核能、地热能、太阳能和风能所取代。科学家预测到2 05 0 年，新能源将成为人类主要能源“1 。 作为一种新能源，地热能是指贮存在地球内部的热能，主要分布在构 造板块边缘带，特别是火山和地震分布区，其能量载体主要有地下水、岩 石等，具有以下几方面特点“1 ： ( 1 ) 本土能源：开发利用地热能可以缓解我们对传统能源的依赖，实 现能源资源的多元化利用，对加强国家在能源问题上的安全和独立有重要 意义。 ( 2 ) 清洁能源：相对于煤、油等传统化学能源，开发地热能对环境所 造成的污染少。 ( 3 ) 可再生能源：如果开发得当，地热能可以被长期稳定利用。 ( 4 ) 利用上存在多样性：既可以用于发电，也可以直接利用。 ( 5 ) 投入产出比高：其运行、维修费用相对较低。它不但可以长期供 热，而且供热时温度稳定，无昼夜之分，是很好的热泵热源。 在过去短短的几十年时间里，地热能的开发已经表现出强大的生命 力。随着世界能源危机和传统能源价格的不断上涨，地热能在能源结构中 的地位必将越来越重要。 目前地热能直接利用的技术性、可靠性、经济性、环境的可接受性已 北京工业大学工学硕士学位论文 被世界各地的实际利用所证实。与地热能发电利用相比较，直接利用存在 多方面的益处，如“1 ： 直接利用的热效率为5 0 一7 0 ，而发电利用的热效率仅5 一2 0 ： 直接利用的投资小且周期短； 无论高温或低温地热资源均可进行直接利用： 因此，直接利用在世界范围内应用最广泛。 作为中国的首都，北京市是一个世界性的大都市，但同时，北京又曾 是一个空气污染相当严重的城市。北京采暖系统的排放物是最大的污染源 之。2 0 0 1 年，北京市在申办第2 8 届奥运会举办权的过程中，提出了“绿 色奥运、科技奥运、人文奥运”的申办口号，并最终获得了胜利。在全国 人民为之欢欣鼓舞的时候，解决北京的环境问题变得十分迫切。因此，北 京市政府以及科研人员都在寻找清洁、环保的能源以替代传统的燃煤锅炉 采暖方式。而地热能作为一种替代能源，有着环境上的优势，其排放污染 物水平比常规能源要少的多。并且在地热能利用方面，北京市有着得天独 厚的条件。北京市拥有丰富的深井地热水资源。在过去的3 0 多年中，共 开凿了2 0 0 口左右的深井地热水井，多数地热井供水温度在4 0 一6 0 之 间，井深1 0 0 0 m 以上。近些年也开凿有7 6 8 9 的地热水，但井深达 3 5 0 0 3 8 0 0 m ，这些都属于低温地热水。由于过去我们缺乏规模开发的思想 和技术准备，对中低温地热能利用持比较消极的观念，再加上由于国家的 经济情况，其中大部分用于洗浴、游泳池、水产养殖以及农业，地热事业 的发展明显地滞后“1 。同时，在开发地热能的过程中，热流体中所含的各 种气体和悬浮物将排入大气中，对周围环境造成影响。地热水中还含有对 环境有益和有害的常量成分、微量成分及放射性成分，并且排放的温度大 都在4 0 左右6 1 。因此，地热水的排放改变了生态平衡，影响环境和生 第l 章绪论 物生长，造成化学污染和热污染“1 。这样，北京的地热利用在节约能源和 产生经济效益的同时，又在一定程度上增加了环境污染，并且破坏了地热 资源。因此，从可持续发展角度，全面考虑低温深井地热水的利用和回灌 技术至关重要。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 目前人类对地热的利用分为两大类：一类是地热发电；另一类是直接 利用，像地热采暖、洗浴、游泳、养鱼等。自1 9 9 0 年以来，世界地热研 究和开发都取得了比较大的进展。据s t e f a n s s o na n df f r i d l e f s s o n ( 1 9 9 8 ) 的 统计，19 9 7 年世界4 6 个国家利用地热能发电和直接利用地热的情况如表 。j w l u n d ( 1 9 9 6 ) 曾对世界地热直接利用做过统计“1 ：供暖占地热直 接利用总量的3 3 ，温泉浴与游泳等为1 9 ，温室为1 4 ，利用热泵进 表1 1 1 9 9 7 年世界利用地热发电和直接利用地热情况 t 曲1 e 卜1g e o t h e m l a le l e c t r i cp o w e rp r o d u c t i o na n dd i r e c tu s ea p p l i c a t i o n s i n 也ew b r l d f o r1 9 9 7 发电直接利用 装机容量总产量总产量 m wg w h ag w h a 欧洲8 6 64 3 0 3 1 01 8 5 0 95 0 美洲3 8 0 82 3 1 1 8 5 33 9 8 41 1 亚洲 2 9 3 71 3 0 4 53 01 2 2 2 53 3 大洋洲3 6 52 9 0 1 618 3 75 非洲 4 53 9 013 5 51 总计 8 0 2 14 3 7 5 63 6 9 1 0 北京工业大学工学硕士学位论文 行供暖和制冷为1 2 ，养鱼为1 1 ，其他工业利用为1 0 。在过去1 0 年 间对地热能直接利用的年平均增长率也达到6 。 一般人们认为，温度较高的地下热水或蒸汽的埋藏深度不超过3 k m 的地热田才具有经济效益。但是，由于近1 0 年地源热泵( g e o t h e r m a lh e a t p u m p ) 技术的成熟和推广，使世界上所有国家的中低温地热都能得到开发 和利用。当供暖时，热泵用地球作热源；而当制冷时，用地球作热涯。这 样极大地改变了只能在少数地质条件较好的地区开发地热的限制。 据统计n 们，在欧洲，有2 8 个国家利用地热：其中，利用高温地热 发电的仅意大利、土耳其、葡萄牙和冰岛四个国家，大多数的国家都利用 中低温地热进行采暖、温室、洗浴以及地源热泵。法国巴黎盆地的低焓能 含水层地热水温在5 0 以上，其井深几百米至2 0 0 0 米不等，并且严格实 行“对井”制度，即一个生产井，一个回灌井。从而使巴黎盆地的地下水 位能在2 0 年来基本保持不变。土耳其n 是地热能非常丰富的国家之一， 地热供暖是其应用地热的主要方式。至2 0 0 1 年，土耳其应用地热供暖的 总容量已达4 9 3 m w t ，并且自1 9 8 3 年以来，一直以平均2 3 的速率逐年 增加。其采用的供热方式基本上是使用换热器间接供暖，末端采用暖气片， 尾水温度一般为4 0 一4 5 ，用于生活热水。意大利时2 也是欧洲富含地热 的国家之一。它在利用地热供暖的项目中，采用的方式与土耳其基本相同， 地热水供水温度在6 0 9 0 之间，降至4 0 一4 5 ，然后排至地表。 美国的深井地热水供暖应用主要集中在美国西部，地热水的温度一 般在6 0 - 1 0 0 之间，由于这个温度范围已经可以采用常用的采暖系统，因 此，他们的研究一般集中在地热井的开凿、取水泵、地热水的输送管网以 及地热水的回灌问题上，而对室内系统的设计则没有做进一步的研究劓 【3 4 】 在低温地热应用中，热泵的发展与应用是个关键。美国是世界上利用 第l 章绪论 热泵技术进行供暖和制冷最好的国家。在美国，地源( 包括土壤，地下水， 地表水等) 热泵已经是一种成熟、完全产业化的技术。1 9 9 5 年美国热泵 消费协会( g e o t h e r m a lh e a tp u m pc o n s o r t i u m ) 筹集了1 亿美元来推广热泵 技术，计划到2 0 0 0 年将热泵的销售量由每年4 0 ，0 0 0 台增加到4 0 0 ，o o o 台”。 1 2 2 国内研究现状 我国地热资源十分丰富，直接利用地热资源的数量一直居世界前列。 据任湘等1 9 9 0 年向国际地热能研讨会提交的国家统计报告1 ，非电直接 利用地热能为4 1 2 2 1 0 1 3 j a ，居世界第3 位。自9 0 年代以来，我国利用 地热资源发展很快，超过世界平均发展水平。据美国地热资源理事会1 9 9 7 年年会提供的情况，我国地热直接利用的数量已居世界首位，但是在数量 上取得极大发展的同时，我国直接利用地热资源的技术却一直比较落后。 为了改变落后的情况，目前我国正积极引进和消化国外的先进技术，不断 地缩小我国与世界发达国家的技术差距。 目前，将地热水应用于供暖的地区主要集中在我国北方，如北京、天 津、河南、西安、大庆等地“ 。其中，最大的采暖项目在天津市。 天津地区地热资源的热水总储量为8 7 3 1 0 1 0 m 3 ，热能存量3 3 0 1 0 17 k j ，天然可采量1 8 6 1 0 1 0 m 3 ，热能可采量i 8 6 1 0 1 6 k j 。以可直接 利用的中低温地热水为主，具有水量大、水质好、水温高的特征哳1 。 天津地热资源勘探、开发利用起步于2 0 世纪3 0 年代初期，在7 0 8 0 年代得到充分发展。早期主要服务于工、农业生产。9 0 年代，地热利 异| 主要转向居民供暖和提供生活热水。1 9 9 8 年，共打热水井17 0 眼，是 我国地热资源开发总量最大的地区。1 9 9 8 年的新建居民住宅区有1 0 0 万 m 2 以上采用地热供暖和提供生活热水1 。 在上个世纪，由于热泵在我国尚未普及，这在很大程度上限制了我国 北京工业大学工学硕士学位论文 在低温热源方面的研究和应用”。天津地热水供暖应用比较广泛，其中 的一个主要原因就是天津的地热水温度较高，一般在8 0 以上，可直接 或经板式换热器间接用于传统的暖气片供暖系统“9 “1 0 。但在天津 的地热水供暖系统中，也存在一个普遍的问题，即地热水尾水温度较高， 达4 0 一4 5 。如此高的尾水却不能很好的利用，造成地热能的大量浪费。 同时，由于地热水开采量过大，导致地面沉降和水位下降。只是从2 0 世 纪9 0 年代后期才开始采用地热水回灌技术，使地下水位逐渐回升。但对 于已使用的地热井，并没有要求补凿地热回灌井。高温的地热尾水排放也 给环境造成热污染。 近几年，在北京，低温地热水的研究和利用越来越受到科研人员和社 会的关注，许多地热水利用项目已经实施或正在实施。但据调查，这些项 目：赶多是利用低温的浅井水采暖和制冷，并且己经形成了一定的产业化。 但对于北京储量丰富的温度界于4 0 一6 0 之间的低温深井地热水，利用 其供热的项目仍非常少。 由以上介绍可知，关于低温深井地热水( 指可直接利用于已有的采暖 末端的地热水) 系统，地热水井的开凿、取水以及室外系统的设计无论在 国外，还是在国内都是一个相当成熟的技术并具有丰富的工程经验“ 。 但是，已有的有关地源热泵系统研究绝大部分都集中在地源热泵热源研究 上，即集中在地源热泵系统的室外部分2 “1 川1 4 “1 5 “1 印，而系统的室内 部分大多沿用传统的采暖和空调系统凹“1 0 “17 “1 ，这对于土壤源热泵系 统、地表水系统、浅井水系统来说是完全可行的。对于8 0 以上的地热 水，直接采用暖气片或风机盘管采暖，会导致地热水回水温度较高，造成 能源的浪费，同时又由于不能合理地回灌而对环境产生污染。而对于温度 本就界于4 0 一6 0 的低温地热水，其室内系统则有其特殊性。在以前，低温地 热供暖( 指水温低于6 0 的地热水) 没有被广泛使用主要有两个原因：其一， 第l 章绪论 由于水温较低，没有合适的采暖设备。对于常用的暖气片，低于6 0 的水温是 满足不了采暖要求的。目前，这一问题已经得到较好的解决，这主要是因为热 泵、风机盘管、地板采暖等新型的采暖设备、方式得到了很好的普及，并为大 家所接受，这就为低温地热的利用提供了良好的设备支持；其二，目前常用的 热泵水源侧( 蒸发器侧) 入口温度一般较低，其额定入口温度一般为2 l 。显 然，低温地热水温度相对较高，无法直接利用热泵应用于供暖。这也就直接导 致利用低温地热水供暖的项目非常少。据调查，在北京少数的几个低温深井 地热水利用项目中，由于室内系统设计的原因，通常采用的做法也只是简单 地利用换热器将水温降至较低的温度，使热泵能够承受，然后用于供暖。这在 无形中，降低了热能的品级，使系统的性能受到一定的影响，因此失去了相对 于浅井地热水系统的性能优势。这就说明界于4 0 一6 0 的低温地热水供暖系统 有自己独特的系统特点，并不能简单地使用常规的采暖空调系统。而目前， 关于在此温度范围的地热水采暖制冷利用系统的室内部分研究几乎为 零。 1 3 课题来源以及研究的主要内容 1 9 9 9 年底，北京市发展计划委员会给“北京工业大学地热供暖示范 工程”立项，在北京工业大学校园内开凿了两口地热水生产井、一口地热 水回灌井，开始了地热水利用的研究。同时，在学校的直接领导下，成立 了北京工业大学地热供暖示范工程课题组”。该课题组于2 0 0 1 年向北京 市科学技术委员会申请了“地热能梯级利用技术研究”科研项目。这就是 本课题的来源。 根据对目前国内外地热直接利用的研究、发展状况分析，选择了以低 温地热梯级利用的工程模式以及相关的设备研究作为我的课题，其主要研 究内容有以下几个方面： 1 根据目前国内已有的供热方式，如：暖气片采暖，风机盘管供热， 北京工业大学工学硕士学位论文 地板采暖等等，利用地热水，设计几种不同的低温地热水梯级利用 供热的工程模式； 2 从系统的技术性能和经济性能两个方面综合评价所设计的工程模式性 能，并与常用的采暖空调方式进行比较； 3 对在已实施的工程模式中所采用的主要设备性能做出分析； 4 确定低温地热梯级利用供暖系统的能级确定原则： 1 4 本人在本项目中所做的工作 1 北京工业大学地热供暖示范工程各个工程的计算、方案设计及图纸的绘 制； 2 北京工业大学地热供暖示范工程的工程测试、测试数据的分析以及系统 性能的分析： 3 参与发表过该项目的相关文章： 于风菊，尹富庚，丁良士。低温地热能梯级利用的系统方案及峰值负荷 处理，全国暖通空调制冷2 0 0 2 年学术年会论文集，2 0 0 2 ：2 1 l 一2 1 4 丁良士，张长春，尹富庚，于凤菊，王婧。利用深井地热水的水源热泵 系统节能分析，全国暖通空调制冷2 0 0 2 年学术年会论文集，2 0 0 2 ：2 0 6 2 l o d i n g l s ，z h a n g c c ，y i n f g ，y u f j ，w a n g j 2 0 0 2 ，e n e r g ys a v i n g o fw a t e rs o u r c eh e a tp u m ps y s t e mu s i n ga q u i f e rg e o t h e r m a lh o tw a t e r t ob ea u x i l i a r yh e a ts o u r c e p r o c e e d i n go ft h e7 仙i n t e r n a t i o n a le n e r g y a g e n c y c o n f e r e n c eo nh e a t p u m p i n gt e c h n o l o g y ，b e i j i n gm a y 2 0 0 2 v o l 2 ：1 0 7 6 1 0 8 5 第2 章地热梯级利用供暖系统的工程模式 第2 章地热梯级利用供暖系统的工程模式 2 1 北京工业大学地热概况： 北京工业大学地热供暖示范工程课题组于1 9 9 9 年底成立。2 0 0 0 年初，在 地热井尚未完成开凿时，即投资建设5 0 0 平方米的小型“地热梯级利用实验系 统”，并进行前期测试，系统包含：低温暖气片组，低温地板供暖，水一水热泵， 水一气热泵。为各项工程进行了准备工作。2 0 0 0 年6 月第一口地热井：京热9 5 井在大学校园内开凿成功，水温5 2 度，水量7 0 m 3 h 。之后，当即在校内“北工 大经济管理学院大楼”内，进行“经管楼地热供暖中试工程”的方案设计和施 工，并于2 0 0 0 年底前，成功地完成了对经管楼2 0 0 0 平方米办公实验用房的地 热供暖改造。然后对系统的性能进行了测试，包含：低温供暖风机盘管机组的 效果，水一水热泵的利用效率，地热供暖的自动检测和控制系统。成功的完成了 低温地热供暖技术的“第一种工程模式”。北京工业大学地热井参数见表2 一l ： 表2 1北京工业大学地热井概况“” t a b l e 2 - 1t h eg e n e r a js i t u a t i o no f t h eg e o t h e m a lw e l l si n t h ec 蛳p u so f b 几 t 井编号京热一9 5京热一1 1 5京热灌一6 验收日期2 0 0 0 年6 月7 日2 0 0 1 年4 月2 8 日2 0 0 2 年2 月2 0 日 井深1 5 8 0 m 1 6 2 3 m1 8 5 9 m 出水温度 5 1 5 5 2 4 2 出水量 1 7 0 0m 3 d a y2 0 8 4m 3 d a y1 0 0 8m 3 d a v 2 2 地热梯级利用供暖系统的基本原理 由于目前单台或单组供暖设备所能产生的温降是有限的，所以，为了能充 分地利用地热能，需要采用几台或几组供暖设备串联的方式，使地热水降到理 北京工业大学工学硕士学位论文 想的温度，再予以回灌。同时地热水一般含有大量的矿物质以及腐蚀性物质， 工程上常常通过使用耐腐蚀的钛板换热器把地热水和供暖设备隔离。由此，所 谓的地热能梯级利用供暖系统就是利用多台或多组供暖设备及热泵通过换热器 采用串联的方式，使地热水温度逐级降低，以达到充分利用地热能为目的的地 热能供暖系统。其基本的原理图见图2 一l ： 注：n 为地热能梯级利用系统的级数； 图2 一l 地热能梯级利用供暖系统原理图 f i g 2 - lt h e p r i n c 币l es c h e m e o f 血eg u g e s h s 与常用的供暖空调系统相比，地热梯级利用供暖系统工程模式的设计要复 杂的多。这主要是因为存在级数的确定问题。级数确定的影响因素非常多，包 括地热井的参数，建筑物的使用功能，供暖设备的选择等等。因此，合理的地 热梯级利用供暖系统设计应根据地热井的情况以及使用地热的建筑物具体情况 决足。下面根据在北京工业大学地热供暖示范工程中的具体实例来介绍两种已 使月的工程模式。 2 3 经管楼供暖工程改造方案 2 3 1 建筑概况 第2 章地热梯级利用供暖系统的工程模式 经管楼即北京工业大学经济管理学院办公楼，建筑面积l o ，0 0 0 2 。在未改 造前经过测定，该建筑在供暖季中，室温为1 3 ，大厅温度竟低达6 。夏天， 部分西晒房间室温达到3 5 3 6 。经过分析，原因大致如下： 1 建筑物的外门数量高达8 个，数量较多，仅以玻璃门作为维护结构，冷 风渗透量也较大，从而导致热损失太大； 2 主入口大门常开，却没有相应的保温措施，如采用空气幕等等，热损失 太大； 3 经管楼入口为一个高达2 0 多米的大厅，产生明显的“烟囱效应“，上部 温度较高，大量的热量通过顶部的玻璃屋顶散失； 4 建筑材料的热物性不好，维护结构的保温性能较差； 由于考虑到地热供暖中试工程的规模不宜太大，经管楼供暖改造工程的改 造区域以经管楼的中央办公区为主体，包括a 区的东，北，南三个方向卜5 层 和大厅，总面积2 0 0 0m 2 ，同时增加了夏天的制冷功能。 2 3 2 负荷的确定： 23 2 1 设计指标： 1 北京市室外计算干球温度： 冬季亡乒一9 夏季t f 3 3 4 2 室内计算温度 表2 2 室内计算温度 t a b l e2 2t h ed e s i g nr 0 0 m t e m p e r a m r e 序号房间名称计算温度备注 冬季夏季 l 办公室 1 82 7 2大厅1 6无 2 3 2 2 计算设计负荷 北京工业大学工学硕士学位论文 在该工程中，应用了天正暖通的供暖热负荷计算程序进行了详细的冷、热 负荷的重新计算，计算结果见表2 3 ： 表2 3 经管楼办公部分计算负荷 t a l ) 1 e2 - 3t h eh e a t i n ga 1 1 dc o o l l n gl o a do f t h eo f f i c ep a r ti n 廿l eb u i l d l n go f m ee c o n o m i c sa n d m a n a g e m e ms c h o o 设计热负荷 设计冷负荷 单位 供暖面积热负荷制冷面积冷负荷 面积热负荷时间 m 。k wm k w k w m 2 东向 5 3 81 2 56 1 83 0 4 28 ：o o4 3 2 6 南向5 1 51 0 55 4 0 5 2 l o 6 1 3 ：0 02 9 1 1 北向 5 1 51 3 06 6 9 23 5 5 21 3 ：o o3 6 4 6 小计 1 5 6 81 8 2 7 7 大厅3 8 02 6 09 8 8 总计 2 0 0 81 2 02 8 1 61 0 8 8 3 最终，经管楼供暖设计热负荷确定为2 8 0 k w 。 2 3 3 方案的设计 2 3 3 1 水系统的设计 1 供暖设备的确定 目前的供暖方式对供水温度都有一定的水温要求，如暖气片供暖系统，设 计供水温度要求为9 5 ，在实际运行中，供水温度一般也在6 0 以上；以风机 盘管作为末端的供暖系统，供水温度设计要求为6 0 ；即使是水温要求较低的 地板辐射供暖系统，一般也要求供水温度不低于4 0 。当采用这些常用的供暖 方式利用低温地热直接供暖时，地热水的回水温度仍会在3 0 以上。因此，如 果要对地热水进一步梯级利用，必须采用热泵，使地热水温度再次降低。但这 第2 章地热梯级利用供暖系统的工程模式 里存在一个问题，目前常用的低温热泵，其制热工况下的水源侧( 蒸发器侧) 供水温度额定参数为2 l ，一般要求水温不得超出此温度。而直接利用后的地 热水温度一般均超出此温度，如果要满足温度要求，就需要通过板式换热器将 7 k 温降低，这样做的代价就是降低了地热能的能级，使系统的性能降低。于是， 通过多方调研，最后找到了在不影响机组使用寿命的条件下，美国 c l i m a t e m a s t e r 生产的w e 系列热泵水源侧( 蒸发器侧) 入口温度可以达到3 0 一3 5 。另外，因为美国c l i m a t e m a s t e r 生产的w e 系列热泵是小型机组，适用于经 管楼改造工程，因此，在经管楼的地热供暖方案设计中，热泵的参数是以美国 c l i 眦t e m a s t e r 生产的w e 系列热泵参数为基准的。图2 2 中白色物体即 c l i 眦t e m a s t e r 生产的w e l 2 0 型水水热泵实物。 图2 2 经管楼用粑1 2 0 型水水热泵 f i g2 - 2t h ew e l 2 0w a t e 卜t o w a t e rh e a tp u m p u s i n gi nm eb u i l d i l l go f m ee c o n o m i c s 越dm a i l a g e m e n ts c h o o l 北京工业大学工学硕士学位论文 由于经管楼供暖系统是一个改造工程，如果采用地板辐射供暖方式，甲方 不同意，并会使施工比较复杂，施工期较长，造价较高，而且会影响建筑物的 使用，因此，采用风机盘管作为供暖末端。并且根据建筑物的情况，选定大厅 内使用的风机盘管为新晃s l 低矮式，其它为新晃s f 立式明装型。图2 3 中白 色物体即新晃s l 低矮式风机盘管机组实物，图2 4 中白色物体即新晃s f 立式 明装型风机盘管机组实物。 图2 3 经管楼用s l 低矮式风机盘管机组 f i g2 - 3 t h es l l o w 聊ef a n c o i i u n n u s i n gi nt h eb u i l d i n go f t h ee c o n o m i c sa n dm a n a g e m e n ts c h o o l 在设计过程中，所有供暖设备的参数均以w e 系列热泵和新晃风机盘管样本 提供的参数为准。 2 级数的确定 ( 1 ) 设备相关参数：( 制热工况) w e 热泵：水源侧最高入口温度3 5 第2 章地热梯级利用供暖系统的工程模式 图2 4 经管楼用s f 立式明装型风机盘管 f i g2 4 m es fv e r c i c a lt y p ef a i l c o i l u n i t u s i n gi n 也eb u i l d i n go f t h ee c o n o m i c sa i l dm a n a g e m e n ts c h 0 0 1 水源侧温降 2 7 风机盘管：供水温度 4 0 一6 0 水侧温降4 8 ( 在送风速度中速的条件下) ( 2 ) 级数的确定及相关设计参数 由于地热水的供水温度为4 7 5 2 ，当地热水用水量较小时，地热水在井筒 和储水箱中会降温，在水处理过程中也会降温，因此，实际供水水温t 。约为： l = ( 4 5 5 0 ) oc 1o c 在钛板换热器的两侧水流量相同的条件下，其对数换热温差4 ，为： 北京工业大学工学硕士学位论文 4 ，= 1 5 o c lo c 因此，钛板换热器循环水出口温度乃为： 乃= “3 4 8 ) o c 1o c 即第一级直接利用的风机盘管供水温度为( 4 3 4 8 ) oc 。 同时，经管楼在建筑上有一个特点，即存在一个中庭，其供暖设计室内温 度只需1 6 ，此时即使风机盘管的供水温度低到4 0 ，也是可行的，这已经在 经管楼改造工程完工后的系统运行中得到证实。 下面分析风机盘管的特性。以s l 8 0 0 低矮式风机盘管为例，其在额定流量 下，供水温度与温降的曲线见图2 5 。 y20 0 0 2 一0 0 1 x + 1 7 7 么一 3 b4 u4 b5 u5 56 u6 5 供水温度( ) 图2 5s l 8 0 0 低矮式风机盘管水温降与供水温度的关系 f i g2 5t h et e m p e r a t u r ed r o p v s t h ee n t e r i “gw a t e rt e m p e r a n j r ef o rt h es l l 8 0 0f a l lc o i l 如图2 5 所示，风机盘管在额定流量条件下，供水温度为4 5 4 0 时的温 降在5 左右，并且热泵的水源侧最高入口温度为3 5 ，因此，可初步确定风 机盘管直接利用供暖部分为两级。 然后，以w e l 2 0 型热泵为例，在负荷侧回水温度为4 3 3 的条件下，其水 源侧入口温度与水源侧温降的曲线见图2 6 。 由图2 6 可知，热泵的水源侧温降是随着水源侧入口水温的降低而减小的。 9 8 7 6 5 4 一p 一世赠 第2 章地热梯级利用供暖系统的工程模式 y=00 0 0 8 x 2 十00 8 0 1 x + l _ 4 2 0 z ， 水洱侧 口& ( ) 图2 6 w e l 2 0 热泵水源侧温降与水源侧入口温度的关系 f i g2 - 6t h et e m p e r a t u r ed r o pv s t h ee m e r i n gw 乱e rt e m p e r 咖r ef o rt h ew 缸e rs o u r c es i d ef o r t h e 、 厂e 1 2 0h e a tp u m d 图2 7 经管楼地热梯级利用供暖系统原理图 f i g2 7t h ep r i n c i p l es c h e m eo f t h eg u g e s h s f o rt h eb u i l d i n go f t h ee c o n o m i c sa i l dm a i l a g e m e ms c h 0 0 1 水源侧入口水温为3 5 时的温降为5 2 。同时要求w e l 2 0 样本提供的制热量 1 7 一p。t暮* 北京工业大学工学硕士学位论文 与经管楼办公区的热负荷匹配，暂定选用四台w e l 2 0 热泵机组，串联运行。 由上分析，可初步确定系统共分为六级，其中，风机盘管直接利用为两级， 热泵间接利用为四级。水系统共由三个循环水路组成： 地热水系统：地热水从生产井取出，经水处理设备、板式换热器回灌至回 灌井。 水源侧水系统：水源侧水经板式换热器与地热水交换热量后，经过直接利 用的一、二级后，然后依次进入3 6 级的热泵水源侧，最后回到板式换热器， 形成一个闭式水循环。 负荷侧水系统：三一六级四台热泵的负荷侧水系统并联，负荷侧水汇合后 送往供暖末端，然后回到热泵负荷侧，形成闭式水循环。负荷侧水系统为二级 泵系统：第一级为变频泵，用一备，第二级为五台水泵，其中四台水泵与热 泵机组一一对应，另一台为备用泵。系统供暖原理图见图2 7 ： 系统各级的详细计算结果见表2 4 ： 表2 4 地热梯级利用供暖系统的各级参数 t 曲i e2 - 4t h ep a r a m e t e r so f t h ed i 疗b r e ms t a g e so f g u g e s h s f o rm eb u i l d i n go f t h ee c o n o m i c sa n dm a n a g e m e ms c h o o l 入口 水源侧 数量温降制热量 级数 供暖设备温度 流量 c o p k w l s 第一级s l 型风机盘管 64 55 32 1 34 8 1 第二：级s l 型风机盘管 63 9 74 52 1 34 0 9 第三级w e l 2 0 热泵 l3 5 25 22 1 35 6 55 5 第四级粑1 2 0 热泵 l3 04 52 1 3 4 9 95 2 第五级w e l 2 0 热泵 l2 5 542 1 34 4 54 9 第六级w e l 2 0 热泵 l 2 1 53 52 1 34 0 o4 6 小计2 3 5 2 7 9 9 第2 章地热梯级利用供暖系统的工程模式 由表2 4 可知：第一、二级的制热量为8 9 k w ，基本满足大厅的供暖需要。 第三、四、五、六级的制热量总计为1 9 0 9 k w ，满足了办公区的供暖需要。 3 夏季制冷系统的设计 由于热泵具有制冷的功能，因此，在方案设计过程中，为了充分地发挥热 泵的作用，提高该系统的性能，考虑了在夏季为经管楼制冷。 热泵自身的特性决定其制冷量小于制热量。而在北京，夏季的冷负荷却大 二严冬季热负荷，这与热泵的特性正好相反。为了不增加冷水机组，就只能为部 分房间提供制冷。据调查，以下房间不提供制冷：已经安装了柜式空调机组的 房间、五楼中加学院的办公区以及大厅。 夏季制冷的冷源为两台冷却塔同时在系统上做了一定的改动。在冬季供 暖工况下，四台热泵的水源侧是串联运行，而在夏季的制冷工况下，四台热泵 的水源侧转变为并联运行，同时，关断地热水，开启冷却塔及其水系统。 系统的冬、夏季总原理图见图2 8 ： 图2 8 经管楼地热梯级利用供暖系统的冬、夏季总原理图 f i g2 - 8t h ep 血c i p l es c h e m eo f g u g e s h su s 吨i nc h eb u j l d i n go f c h ee c o n o m i c sa n d m a l l a g e m e n ts c h o o ld u r i n gt h eh e a t i n gs e a s o na n dc o o 【i n gs e a s o n 1 9 北京工业大学工学硕士学位论文 2 33 2 测试系统 经管楼作为中试系统，为了测试系统的性能以及系统控制、运行的需要， 安装了许多测试仪器。测试的主要参数包括：温度、流量、电量、压力。 l ，温度，( ) ： 温度传感器：铂电阻式，测量水系统的温度。 棒式精密水银温度计：标准玻璃管水银温度计，精度o 1 。作为温度传 感器的标定温度计使用。 温度传感器主要用于测量经管楼水系统的每个水循环、各级以及主要设备 的供回水温度。同时，为了检验系统运行的效果，在经管楼大厅、部分房间和 室外也放置了温度传感器。 2 水流量( m 3 h r ) ： 插入式切向涡轮流量传感器：单位m 3 h ，适用于测定流速为o 1 6 州s 的 水流量。主要测量地热水流量w 1 、水源侧水流量w 2 和负荷侧水流量w 3 、w 4 。 旋翼湿式远传热水表：测试累积水量，通过自动检测程序转换为瞬时流量， 单位t h 。主要用于测量主要设备的旁通管水流量。 3 电量e ( k _ l i h ) 及电功率n ( k w ) ： 远传式电子式三相四线有功电度表：由北京市技术监督局委托电力部电力 设备及仪表质量检验测试中心检测合格，精度在卜2 以内。主要测量经管楼 地热梯级利用系统的所有设备耗电量及电功率。 23 3 3 控制系统的设计 本系统的控制系统主要分为两部分：室温控制部分和机房控制部分。对于 室温控制部分，由于冬、夏季系统均采用风机盘管作为末端，其室温控制手段 是相同的。对于机房控制部分，由于四台热泵的运行方式由水源侧串联、负荷 侧并联改为水源侧、负荷侧均并联的方式，同时，地热水停止供应，冷却塔启 动，部分控制参数已发生改变，导致控制系统会有较大的变化，因此，下面对 第2 章地热梯级利用供暖系统的工程模式 于机房控制部分会将冬季和夏季分开说明。 1 室温控制部分： ( ：1 ) 控制要求：调节、控制室内温度达到设计要求。 ( ：2 ) 控制执行机构： 风机盘管三